近10年艾比湖濕地不同植物群落土壤水分-鹽分-養分變化特征

朱海強 ，李艷紅*，李發東

(1 新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054; 2 新疆維吾爾自治區重點實驗室,新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室, 烏魯木齊 830054；3 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101; 4 中國科學院大學 資源與環境學院，北京 100190)

土壤是濕地生態系統的重要組成部分，對維持濕地生物多樣性、調節水分和鹽分等物質起著重要的作用[1-2]。然而，由于人為和自然因素的作用，世界范圍內近50%的濕地生態系統已出現不同程度的退化[3]，它對濕地土壤的理化性質有很大的影響，所以學者們對其變化進行了大量研究。國外學者認為土壤水鹽及養分的空間變異有一定的規律，其中土壤質地和植被對其的影響較為顯著[4]，農田濕地土壤物理性質的空間異質性較弱，這種規律可為研究濕地生態系統的潛在變化過程提供條件[5]。在人工濕地、天然濕地和修復濕地中，土地利用和人類活動的減少對土壤性質空間變異的影響程度有明顯的差異[6]。對洞庭湖、鄱陽湖等淡水湖泊濕地土壤理化性質的研究發現，土壤有機質、水分、鹽分等理化性質變化和生態恢復具有一致性，水文變化對其的影響程度大于人類干擾[7-8]。關于干旱區土壤水分-鹽分-養分變化的研究主要集中在內蒙古草原、黃土丘陵及秦嶺山區等生態系統[9-11]。艾比湖作為干旱區典型的高鹽湖泊濕地，新疆第一大咸水湖，對維持區域生態平衡具有重要的意義，目前關于濕地不同植被群落、流域、土地利用方式下土壤水分、鹽分、養分的特征研究較多[12-14]，認為濕地土壤養分整體偏低，土壤出現不同程度的鹽堿化，同時合理的人為影響可以提高土壤的肥力，但對長時間尺度不同植物群落下土壤水分-鹽分-養分變化的研究較少。因此，通過探討近10年艾比湖濕地不同植物群落土壤養分、鹽分和水分的時空分布特征及影響因素，有助于了解濕地環境退化現狀及趨勢，為艾比湖濕地土壤改良和合理利用提供相應的理論基礎。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

艾比湖流域位于43°38′～45°52′N、79°53′～85°02′E，博河、精河的尾閭，西、南、北三面環山，是準噶爾盆地南緣的最低洼地及水鹽匯集的中心，新疆第一大咸水湖，平原區面積25 762 km2，山地面積24 317 km2。屬溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫5 ℃，年蒸發量是降水量的16倍左右。近50年來，艾比湖湖面共減少160.41 km2[15-16]，干涸湖底已成北疆沙塵暴重要的策源地，土壤沙化鹽化加劇。本研究按湖心質點(44°52′32.77″N，83°2′18.34″E)將研究區分西南、東南、東北和西北四部分。西南部為博爾塔拉河(以下簡稱博河)和精河下游入湖口，主要地貌類型有湖濱濕地、沖-洪積平原，土壤質地主要由粉砂、細砂、黏土等組成，植被以蘆葦和堿蓬為主；東南部為河流沖積平原和湖積平原，同時疊加有風成地貌，該區地勢較為平坦，在老湖積平原上多形成鹽池及湖積堤，土壤類型為灰棕漠土和鹽土，沙化嚴重，發育有胡楊、梭梭和羅布麻等植物；東北部由覆蓋于湖積平原之上的瑪依力山沖洪積物質經風蝕后形成，土壤類型屬于灰棕漠土，主要發育有梭梭、檉柳、胡楊等耐鹽堿植被；西北部處于阿拉山口的主風道，大致為巖質荒漠，植被為梭梭、檉柳、蘆葦等，覆蓋度較低。西南部、東南部、東北部和西北部的典型植被分別為蘆葦、胡楊、梭梭和梭梭-檉柳群落。

1.2 樣品采集

2006、2015年8 ～10月分別在艾比湖環湖1周160 km區域內(圖1)選擇梭梭-檉柳、梭梭、胡楊和蘆葦4種典型植物群落，按照S形布點法共設置66個采樣點，同時記錄各樣點的經緯度、海拔、地形地貌及植被特征等小環境因素(表1)。在每株植物的冠幅內去除地表凋落物，獲取表層(0～20 cm)土壤。將土樣帶回實驗室經自然風干后，剔除石塊、植物根莖、人為侵入物等雜物研磨，過2.00 mm篩用于土壤pH和全鹽含量的測定，過0.15 mm篩測定土壤有機質含量。

表1 艾比湖濕地4種典型植物群落樣地概況

圖1 研究區示意圖Fig.1 Research area schematic drawing

1.3 數據來源

采用常規方法[17]測定樣地土壤有機質、全鹽、pH和含水量。氣象站數據由新疆維吾爾自治區氣候中心提供，農作物播種面積、人口數量、供水量、用水量等數據從新疆統計年鑒獲得。

1.4 數據處理

采用SPSS 19.0軟件對土壤水分、鹽分、有機質以及pH做統計分析和差異顯著性檢驗，運用GS+9.0和Arcgis 10.0軟件完成空間變異函數的分析和空間插值。

2 結果與分析

2.1 近10年艾比湖濕地不同植物群落土壤水分-鹽分-養分的描述性統計特征

本研究采用K-S(Kolmogorov-Smimov)檢驗法對土壤各因子數據進行正態檢驗，將數據對數轉換后，Pk-S(雙尾漸進概率)均大于給定的顯著性水平0.05，均符合正態分布。由表2可知，近10年艾比湖濕地不同群落土壤因子指標的變異系數介于0.015～0.936之間，根據Nielsen[18]對土壤特性的變異系數進行的分類來看，艾比湖濕地土壤有機質、全鹽、含水量屬中等變異強度，pH屬于弱變異強度。表1顯示，近10年來艾比湖濕地土壤全鹽含量、pH值均有所增加，土壤有機質含量和含水量則明顯下降。與2006年相比，2015年各植物群落下土壤有機質含量、含水量分別降低了24.65%～48.00%、5.41%～20.16%，其中以梭梭-檉柳群落的降低幅度最大；各群落下土壤含鹽量和pH值的增加幅度分別為81.92%～128.74%和2.99%～4.21%。對近10年艾比湖濕地土壤理化性質變化的差異性分析表明，梭梭-檉柳群落立地土壤除pH值變化不顯著外(P>0.05),有機質含量、全鹽含量和含水量均變化顯著(P<0.05)；梭梭群落和胡楊群落立地土壤除有機質變化不顯著外，全鹽含量、pH值、含水量均變化顯著；蘆葦群落立地土壤除pH值、含水量變化不顯著外，有機質和全鹽含量均有顯著變化。

2.2 近10年艾比湖濕地不同植物群落土壤水分-鹽分-養分的半方差函數分析

采用半方差函數模型與理論分析土壤指標的空間變異特征[19]可知，艾比湖濕地各植物群落立地土壤有機質、全鹽、pH和含水量在不同時期具有明顯的空間結構特征，而且其符合不同的半方差模型(表3)。從表3塊金系數來看，近10年來艾比湖濕地土壤全鹽、pH具有較強的空間相關性，表明其空間差異主要受結構性因素(如微地形變化、湖面積波動、成土母質、氣候變化等)影響；有機質和含水量塊金效應均介于0.25～0.75之間，屬于中等空間相關性，這主要由結構性因素和隨機性因素(如地下生物量、植物根系分布、生物活性等)共同引起。變程(A0)可以反映土壤性狀的空間相關有效距離[20]，2006年梭梭群落立地土壤有機質的變程最小(3 750)，2015年梭梭-檉柳群落有機質的變程最大(23 270)，說明不同植物群落近10年土壤因子的空間自相關范圍發生了明顯的變化。

2.3 近10年艾比湖濕地不同植物群落土壤水分-鹽分-養分的空間分布特征

采用Kriging對近10年不同植物群落土壤有機質、全鹽、含水量和pH值進行插值，繪制出土壤土壤水分-鹽分-養分因子的空間分布圖(圖2)。由圖2可知，近10年來，艾比湖濕地各植物群落土壤含水量的空間分布呈破碎斑塊狀，高值區主要分布在艾比湖的蘆葦群落，博河、精河流域附近，低值區主要分布在胡楊群落、梭梭-檉柳群落和梭梭群落區域，且分布范圍有明顯的變化，土壤含水量整體呈下降趨勢。土壤鹽分含量的高值區分布在濕地的胡楊群落和梭梭-檉柳群落，低值區主要分布在蘆葦群落；與2006年相比，2015年胡楊群落和梭梭群落土壤鹽分增加，蘆葦群落變化趨勢與之相反，三者鹽分的分布范圍有明顯變化，兩個時期土壤鹽分的增加程度表現為胡楊群落>梭梭群落>梭梭-檉柳群落>蘆葦群落。艾比湖濕地土壤pH在近10年的變化與鹽分含量具有一定的相似性，胡楊群落和蘆葦群落的pH分布范圍變化最明顯，其中，2015年蘆葦群落土壤pH值有所上升，但在7.5～8.5之間；土壤pH低值區出現在梭梭群落南部，由土壤肥力、鹽化、酸堿度分級標準[21]可知，兩個時期土壤均屬堿性；整體來看，濕地土壤pH高值區分布范圍有所增加。兩個時期濕地土壤有機質含量均位于貧瘠水平且逐年降低，其中，低值區主要分布在艾比湖梭梭-檉柳群落周圍，高值區主要分布在艾比湖蘆葦群落；胡楊群落和梭梭群落土壤有機質含量值分布范圍變化明顯；近10年的土壤有機質空間分布的變異性均較大，養分富集和貧瘠區域性分布明顯。

表3 艾比湖濕地土壤水分-鹽分-養分的半方差函數及其參數

注：E.指數模型；S.球狀模型；G.高斯模型

Note: E. Exponential model；S. Spherical model；G. Gaussian model

2.4 近10年艾比湖濕地不同植物群落土壤水分-鹽分-養分的退化程度評價

根據近10年不同植物群落土壤水分-鹽分-養分空間分布及新疆土壤鹽化、酸堿度、肥力分級標準[21]，艾比湖濕地土壤水分-鹽分-養分在2006和2015年的變化如表4所示。與2006年相比，2015年梭梭-檉柳群落土壤有機質含量從第5級降低至第6級，梭梭群落、胡楊群落和蘆葦群落雖均屬第4級，但有機質含量明顯下降且梭梭群落下降最明顯；各群落土壤含水量整體水平較低，梭梭-檉柳群落和胡楊群落含水量減少最為顯著，蘆葦群落變化不大；各群落土壤鹽分也呈不同的變化趨勢，梭梭-檉柳群落土壤從中度鹽化向重度鹽化演化，其他3個群落鹽分均從輕度鹽化向中度鹽化演變，但蘆葦群落變化明顯小于其他群落；各群落土壤pH值均在7.5～8.5之間，梭梭-檉柳群落和胡楊群落從堿性演變為強堿性，梭梭群落和蘆葦群落屬于堿性，濕地的鹽堿化程度在逐漸增加?？梢?，近10年艾比湖濕地不同植物群落土壤養分不斷下降、水分含量降低、鹽漬化程度加劇，土壤處于退化狀態，其中梭梭-檉柳群落土壤退化最嚴重，其次為胡楊群落和梭梭群落，蘆葦群落退化程度最小。

表4 艾比湖濕地各植物群落土壤水分-鹽分-養分在兩個時期的分級評價

3 討 論

本研究結果表明，近10年艾比湖濕地植物群落土壤呈現不同程度的退化，表現為土壤有機質含量降低，鹽漬化程度加劇，這是自然因素和人為因素相互作用、相互疊加的動態過程[22]。

3.1 土壤質地、氣溫、降水與艾比湖濕地植物群落土壤水分-鹽分-養分空間差異的關系

自然因素是土壤空間變化的基礎因素。艾比湖濕地三面環山，成土母質以沖積-洪積物質類型的砂壤土為主，土壤發育程度低且均呈堿性，土壤質量差，同時補給河流中攜帶的可溶性鹽類也成為土壤鹽堿的重要來源。梭梭-檉柳群落巖質荒漠廣布，植被稀少，受阿拉山口大風肆掠的影響顯著，土壤水分蒸發量大，鹽分含量較高；胡楊群落有石鹽沉積，其位于大風口的徑直通道上及干涸湖底周圍，鹽塵加速其荒漠景觀的發育[23]；梭梭群落土壤沙化嚴重，蘆葦群落位于博河與精河的下游，植被分布面積廣，土壤水分含量較高。據新疆維吾爾自治區氣候中心資料，近10年來新疆阿拉山口、精河、博樂降水量從151.4、100.3、207.7 mm分別下降到30.6、23.4、61.4 mm，分別下降了30.64%、23.42%和61.48%；氣溫分別從10.2、9.6、7.7 ℃上升到12.4、11.6、8.4 ℃，分別波動上升了21.53%、21.36%和8.83%，氣候總體出現暖干化的趨勢。這種趨勢一方面導致降水量減少而蒸發量增大，土壤中的可溶性鹽隨水分的蒸發而上移至土壤表層，加劇了土壤鹽漬化[24]；另一方面，濕地土壤水分的減少致使以水分調節為主導的生態交互作用減弱，進而引起土壤養分的退化[25]。近10年艾比湖水位從2005年的192.5 m下降至2015年的190.9 m，共下降了0.82%，湖泊面積縮小了45.7%[26]，湖泊面積的萎縮和水位的下降不利于湖濱植物的恢復和土壤表層含水量的增加，大風對鹽漬化土壤的侵蝕作用較強，導致濕地復合荒漠化土地出現和土壤質量的退化[27-28]。不同區域土壤鹽漬化通過影響土壤結構、植物分布、微生物數量進而導致土壤養分呈現出空間差異[29]，而養分對土壤質量的改善又有促進作用，二者相互影響。由此可知，氣候變化、成土母質及水分的差異及變化是土壤退化空間差異的基礎。

3.2 人口、耕地及生態恢復與艾比湖濕地植物群落土壤水分-鹽分-養分空間差異的關系

人類活動是土壤退化的誘發因素，其通過改變土壤諸因素的對比關系進而決定土壤的演替方向。近10年艾比湖流域博樂市、精河人口分別增加了1.849‰和1.611‰，耕地面積分別增加了65.23%和121.87%，第一、二、三產業和居民生活用水分別增加了1.97×108、0.09×108、0.02×108和0.11×108m3，其中第一產業和居民用水增加最多，第一產業用水量最大且占到用水總量的96.97%[30]。艾比湖流域農業所占比重較大，近10年人口數量和耕地面積的增加導致上游農業灌溉用水不斷增大，部分河流出現斷流，補給湖泊的河流只剩下博河和精河，入湖水量不斷減少，加之湖水蒸發強烈，引起干涸湖底面積的增加及湖周裸地土壤鹽堿化的加劇，促使植物種類從濕生、中生向旱生、超旱生演變，近60%的湖濱植物已死亡，而且植被以39.8 km2/a的衰減速度向沙漠演變[31]，植物群落的衰退使得其生物累積和凋落物返還過程減弱，不利于土壤微生物和肥力的改善，加速了土壤質量的惡化，從而影響土壤理化因子的空間分布規律[32]。艾比湖濕地蘆葦群落土壤退化程度最小，這是由于在精河入湖口實施引水圍堰生態恢復工程后，土壤含水量增加，植被群落呈現正向演替，生物量和有機質含量增加，土壤結構得到改善，含鹽量降低，生態環境得到一定程度的修復[33]。在胡楊群落所處沙泉子和東大橋分別通過種植梭梭和羅布麻進行植被恢復，但是土壤退化卻未得到改善，這與翁伯琦等認為植被恢復對土壤質量有明顯改善的結果不一致[34]，一方面是因為梭梭恢復區土壤以砂礫為主，土壤持水性差；另一方面是由于在植被恢復過程中，土壤發育滯后于植被的演替，因此土壤質量并未發生明顯的改善[35]。由此可知，在自然因素差異的基礎上，人類活動通過影響濕地植物分布和入湖河流水量使土壤水鹽及養分變化的差異性更加顯著。

綜上所述，近10年艾比湖濕地不同植物群落土壤有機質含量、含水量出現不同程度的下降，二者下降了24.65%～48%和5.41%～20.16%；鹽分含量和pH明顯增加，分別上升了81.92%～128.74%和2.99%～4.21%，土壤鹽堿程度加強，土壤呈現出退化趨勢。土壤理化性質空間分布圖顯示，不同區域土壤退化程度差異顯著，并以梭梭-檉柳群落和胡楊群落退化最為嚴重，蘆葦群落土壤退化程度最??；通過對影響土壤理化性質變化因素的分析認為，自然因素的差異是土壤水分、鹽分和養分變化的潛在因素，而人為誘導因素則通過改變土壤和植被的相互作用關系，從而對土壤的演變機制和趨勢有明顯的抑制或促進作用。

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